LatinAmerican JOUrtlrl/ o/ Metrlllurgy rllld Materúilr, Vol. 2, N° 2, 19R2

ARTICULO TECNICO / TECHNICAL PAPER

Efecto del Medio Ambiente sobre las]untas de Acero - Multibond 329 - Acero y Aluminio- Multibond 329 - Aluminio

M. Cucarella

Escuela de Metalurgia y Ciencia de los Materiales, Facultad de Ingeniería, UCV

Se estudió la falla de juntas de acero - Multibond 329® - acero y aluminio - Multibond 329® - aluminio después de habersido expuestas a una humedad ambiental de 95%, agua, tetracloruro de carbono y acetona. La exposición en cualquiera de losmedios mencionados mostró un considerable debilitamiento de las juntas.

Cuando las juntas se expusieron a la humedad ambiental o en agua se n o't ó un debilitamiento inicial del adhesivo seguido porun desplazamiento del adhesivo por el agua, originando una falla interfacia!.

El mayor efecto de los solventes orgánicos fue el de un debilitamiento directo del adhesivo.

Effect ofEnvironment on Steel- Multibond 329 - Steel and Aluminium - Multibond 329-Aluminium joints

The adhesive joints steel- Multíbo nd'" 329 - steel and aluminium - Multibond® 329 - alu m iriiu m wer e exposed to 95%room humidity (R.H.), water, acetone and carbon tetracloride. The failure behaviourwas studicd. Th e exposition to any thesemedia showed a considerable weakening of the jo ints.

The joints exposed to water o r R.H. showed weakening of the adhesive al the begining followed by displacement of t h e adhe-sive by water, changing the locus of failure from cohesive to adhesive.

The major effect of the organic solvents was a direct weakening 01' the adhesive.

INTRODUCCION

La falla prematura de juntas adhesivas sometidasa un medio ambiente hostil ha sido motivo de pre-ocupación por largo tiempo [1-6]. Esta falla puede,en general, predecirse termodinámicamente calcu-lando el trabajo termodinámico de adhesión W A,

requerido para separar un área unitaria de las dosfases en un medio inerte y el trabajo W-\L donde elsubfijo L, indica la presencia de un líquido.

Para la mayoría de las interfases adhesivo-metalWA es positivo indicando estabilidad termodinámicade la junta; WAL, sin embargo es, en general, negativo.Esto implica la inestabilidad de la junta en elmedio líquido.

WA puede calcularse por la ecuación de Dupré[7]

W A = Yx + y y - y xy (1)

donde Y« y Y» son las energías de superficie de las dosfases y yxy es la energía interfacial. Análogamente:

WAL = YxL+ YyL- yxv (2)

y considerando que Yxy puede expresarse por [8]

Yxy = Yx + Yy - 2 [(y;? YP)1!2+ (y~ y;.)t/2] (3)

donde yD Y yP son los componentes de dispersión ypolar, respectivamente

(4)se obtiene:

WA=2[(y? yP)I!l+(y~ Ynt/l] (5)

WAJ.=2[y]-(yP YP)t!2~(y~ YOI!l] (6)

- (yP YP)I!2 - (Y~ YOI!2 + (y? ye)I!2 + (y~ YOI!2]EXPERIMENTAL

Se empleó el adhesivo "Loctíre Multibond Ad-hesive 329" con el activador N° 737.*

Como substratos se utilizaron acero común[SAE 1010] y aluminio AA 1100.

La superficie del acero se desgrasó con tricloro-etileno, se rectificó, se desgrasó nuevamente y sedejó secar al aire en un desecador.

La superficie de aluminio se atacó con una solu-ción de ácido sulfúrico (27 partes), dicromato desodio (7.5 partes) yagua (2.5 partes) durante 30 mi-nutos a 65° e, se enjuagó con agua y se secó en aire a65° C [9].

* Adhesivo estructural en base de metacrilato elastomé-rico, suministrado por Loctite, Inglaterra.

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La rugosidad de las superficies de los substratoses de R. = 1.43 fLm para el acero y R, = 1.51 fLm para ela.lumirrio.

Las juntas se hicieron del tipo metal-adhesivo-metal, aplicando activador en ambas caras del metal.Se u tilizó un área rectangular de 1/8' por l' Yun espe-sor de adhesivo de 0.25 mm. Se dejaron curar durante48 horas a temperatura ambiente.

Las juntas fueron expuestas a los medios am-bientes a diferentes temperaturas. Se retiraron de losmismos a intervalos de uno o dos días y se mantuvie-ron a 25° e y 40% de humedad ambiental por mediahora. Luego se fracturaron en tensión a 25° e a unavelocidad de elongación de 2.5 cm/mino

Las superficies de fractura se examinaron paradeterminar ellocus de falla.

La humedad ambiental se controló según reglaASTM E 104-51 (1971, Parte 30) con soluciones deglicerina.

En todos los casos se mantuvieron especímenesen un medio ambiente de control de 25° e y 30% dehumedad ambiental. Estos espedmenes no sufrieroncambio apreciable en sus propiedades en el intervalode tiempo estudiado.

RESULTADOS

Cálculo del trabajo termodinámico de adhesión

Las ecuaciones 5 y 6 permiten calcular los valo-res de W A (en ambiente inerte), y WLA (en agua) paralos sistemas adhesivo-aluminio y adhesivo-acero, sise conocen todos los valores de y.

En la literatura se encuentran los valores de ypara el agua, F20, y bayerita (f3-AI203' 3H20)[10]. Estos óxidos son en realidad los substratos, puesse encuentran depositados sobre los metales en lascondiciones del experimento. El óxido formado so-bre el acero común está formado por Fe203 y sobre elaluminio por bayerita [11, 12], los valores de y para laresina se calculan por el método propuesto porKaelble[13].

En la tabla 1se encuentran los valores.de las ener-gías para el agua, acero común, aluminio y ad-hesivo.

Los valores W A, calculados con la ecuación 5:para el acero común y el aluminio son 325.4 mj/rn? y298.1 rnj/rn-, respectivamente, e indican que las jun-tas son estables en un medio ambiente seco. Sin em-bargo los valores de W AL, son negativos para ambossustratos. W AL tiene el valor de - 231.2 para el acero yde -189.9 para el aluminio. Esto indica que el aguadesplazará eventualmente al adhesivo.

Solventes orgánicos como el tetracloruro de car-bono y acetona tienen una acción adicional de disolu-ción del adhesivo por lo que el efecto sobre la juntano puede determinarse con la ecuación 6.

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TABLA 1

Energías libres de superficie

Superficie Energ/a libre de superficie/m] m-2

l' v" y Ref

100 988 1088 17107 1250 1357 17

30 9 3922 50 72 16

Aluminio (j3·Ab03 • 3H20;Acero (Fe203)AdhesivoAgua

Esfuerzo defractura

Los esfuerzos de fractura de las probetas no ex-puestas para las juntas adhesivo-acero y adhesivo-aluminio son 20.5 MN/m2 y 18.2 MN/m2, respecti-.vamente.

10

0-0--0--0--0--0--0g-G-e-9'-Q -9--9--9e -Q _

.~--.... Q-Q--'--Q--Q" e _•..........•e-e-e __e---e-.-.--.

15

20

25

100 200 300 500 600400

TIElfi'O DE EXPOSICION I h

Fig. l. Porcentaje de la pérdida de fuerza adhesiva en funcióndel tiempo de exposición a una humedad ambiental del95'% a diferentes temperaturas, O 25° e, e 40° e, ~50° e, e 60° e y • 70° e, para juntas de acero.

Las figuras 1 y 2, muestran el cambio en dichosesfuerzos después de exponer las juntas a una hume-dad ambiental de 95% a diferentes temperaturas. Lasjuntas mantenidas a temperatura ambiente no sufrie-ron prácticamente ningún cambio. Sin embargo,para las juntas expuestas a40° e o más, el esfuerzo defractura disminuyó; a mayor temperatura, mayor fueel efecto observado. Los cambios son similares paraambos metales.<e- otJi5<~o: la';..el

~e 15<'" 20o

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0--0-0-0-0-- 0-- 0-- O-8--8_8~-...... -8-8--8--8~ ~""""'1iiiI<, --

• ~ ~-IiiI_I::l liiI'- '-.~•.......... ----~. -~--~--, ~-...............-.-.--.100 200 300 400 500 600

Fig. 2. Porcentaje de la pérdida de fuerza adhesiva en funcióndel tiempo de exposición a una humedad ambiental del95% a diferentes temperaturas, O 25° e, B 40° e, iii50° e, !""l 60° e y • 70° e, para juntas de aluminio.

LatinAmerican JOIIT/lfl/ 01 Met{//¡lirgv {mi ll1,dl'rialr, 'Vol. 2, N° 2, 19R2

Las figuras 3 y 4 muestran el efecto de la inmer-sión en agua sobre las juntas de adhesivo-acero yadhesivo-aluminio, respectivamente. El esfuerzo defractura disminuye para todas las temperaturas, eldebilitamiento aumenta con la temperatura de expo-sición y es más importante que en el caso de 95% dehumedad ambiental. Se observa que las juntas de alu-minio se ven mas afectadas que las de acero. Las figu-ras 5 y 6 muestran la acción del tetrac1oruro decarbono y de la acetona sobre las juntas. Resulta evi-dente que el efecto debilitante de estos solventes esmucho más pronunciado que el del agua, especial-mente en el caso de la acetona. Las juntas de aceroson más resistentes que las de aluminio.

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~ 10...~ 20cc~"' 30"""" 40~'"O< 50

~~~---o---o---o---o~Q-,,-e,e - --e-9_9.:::::-e Q __ Q

·":::::--e - Q- Q...............-----e-________--e-e.----( .----.100 200 300 400 500 600

Fig.

TIEMPO DE EXPOSICION / h

3. Porcentaje de la pérdida de fuerza adhesiva en funcióndel tiempo de exposición en agua, a diferentes tempera-turas, O 25° e, e 40° e, ., 50° e, e 60" e y e 70" e,para juntas de acero.

""~'""''"~ 10..~ 20E~ 30-c

"" 40cc

~ 50

100 200 400 600500300

TIEflPO DE EXPOSICIQN / h

Fig. 4. Porcentaje de la pérdida de fuerza adhesiva en funcióndel tiempo de exposición en agua, a diferentes tempera-turas, O 25° e, 8 40° e, •• 50° e, !!!! 60° e y • 70° e,para juntas de aluminio.

Locas de falla

El examen visual de las superficies de fracturaindica que la falla de las probetas no expuestas escohesiva (en el adhesivo). Para las probetas expues-tas el tipo de falla depende del medio ambiente, tem-peratura y tiempo de exposición.

Las figuras 7 y 8, muestran la fracción de fallainterfacia1 para probetas expuestas a 95% de hume-dad y las 9 y 10 para probetas sumergidas en agua. Ellocus de falla se desplaza de cohesivo a adhesivo alaumentar el tiempo de exposición y/o la tempe-ratura.

Las farras en las probetas de aluminio presenta unmayor porcentaje interfacial que los de acero para lasmismas condiciones de exposición.

Las juntas sumergidas en tetrac1oruro y en ace-tona fallan en general, cohesivamente,

DISCUSION

El estudio de las curvas de pérdida de fuerzaadhesiva junto con las de porcentaje de fractura in-terfacial indica que el efecto inicial de la exposiciónde las juntas en un ambiente húmedo o en agua es undebilitamiento del adhesivo, sin embargo, a esta ac-ción debilitante le sigue un desplazamiento gradualdel locus de falla, de cohesivu a adhesivo.

Este efecto del agua en la interfase es el másImportante para juntas expuestas por largotiempo,

Los valores de los trabajos termodinámicos deadhesión, WA son positivos para ambos substratosindicando que las interfases son estables en medioseco. Sin embargo, en medio acuoso los valores deWAl son negativos. Este cambio provee la fuerzaimpulsora necesaria para la separación de lasjuntas.,;~ o"''"S! 10...~ 20

'"e,

0_o-o. --"-.. °-0-0 __ 0."<,.----- .----e •

"' 30"..." 40

"''""'.. 50 -

100 JOU 500 600200 400

TIEMPO DE EXPOSICION I h

Fig. 5. Porcentaje de pérdida de fuerza adhesiva en función deltiempo de exposición en O acetona y • rerracloruro decarbono a 25" e para juntas de acero.

10

O-c 20 r-.~'"w 30'""

" O~-c<: 40N ." 0_____.'""'" 50

.~ 0____e,

"'0___ 0

"-e 60 <,o

~ 70 .---...."' .--...

80

100 200 300 400 500 600

Fig, 6.TIEMPO DE EXPOSICION / h

Porcentaje de pérdida de fuerza adhesiva en función deltiempo de exposición en O acerona y. tetracloruro decarbono a 2)" e para juntas de aluminio.

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0.1

100 200 300 400 500

Fig.TIEMPO DE EXPOSTCION I h

7. Fracción de falla interfacial en función del tiempo deexposición a una humedad ambiental de 95% a e 40° e,•• 50" e, e 60" e y • 70" e, para juntas de acero.

Los estudios dellocus de fallas muestran que ini-cialmente las fallas siguen siendo cohesivas a pesar dela presencia de agua. Esto probablemente corres-ponde a la absorción del agua por el adhesivo y luegose observa un aumento lineal en el porcentaje defalla interfacial.

Las figuras 7-10 muestran varios hechos intere-santes. Primero, la exposición en agua hace que elperíodo inicial, de falla cohesiva, se reduzca y que lavelocidad de avance de la falla interfacial aumenteligeramente. Es de hacer notar también que a lamisma temperatura de exposición la velocidad deavance en las juntas de aluminio es mayor que la co-rrespondiente a las de acero. Otro factor es el au-mento de la velocidad de avance de la falla interfacialcon la temperatura.

La Fig. 11 da la velocidad de avance de la fallainterfacial en función de la inversa de la temperatura.Existe una correlación lineal para todos los casos. Lasenergías de activación calculadas para el desplaza-miento del adhesivo por el agua son 17 Y21 k] mal'en las juntas de acero y aluminio respectivamente.Desafortunadamente no se dispone de la energía de

0.2

100 200 300 400 500

TIEMPO DE EXPOSICION I h

Fig. 8. Fracción de falla" interfacial en función del tiempo deexposición a una humedad ambiental de 95% a E340° e,w 50° e, 11IIII 60" e y • 70" e, para juntas de aluminio.

600

600

Fig. 9.

u-c~w~ 0.1

<'""'~zoÜu<'"e,

Fig. 10.

-3.5

e•...• -4.0

0.2

100 200 300 400 500 600

TIEHPO DE EXPOSICION I h

Fracción de falla interfacial en función del tiempo deexposición en agua a O 25° e, e 40° e, •• 50° e, e60° e y • 70" e, para juntas de acero.

o .)

100 400200 300 500 600

TIEMPO DE EXPOSICION I 11

~.

Fracción de falla inrerfacial en función del tiempo deexposición en agua a O 25° e, B 40° e, ~ 50° e, I!!!!60° e y • 70" e, para juntas de aluminio.

2.90 3.00 3. lO 3.20 3.30 3.40

103 K I TEHPERATURA

Fig. 11. Gráfico de Arrhenius para la velocidad de falla int er fa-cial para juntas de acero sometidas a • 95% H.A. Y Oagua; y para juntas de aluminio sometidas a. 95% H.A.Y O agua.

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difusión de agua en el adhesivo pero se encuentra quelos valores de enegía son del mismo orden del de difu-sión de agua a 'través de otros adhesivos [14, 15] Ytambién concuerdan con valores de energía de des-plazamiento de la resina epóxica por el agua r 3]. Estosugiere que el desplazamiento del adhesivo está prin-cipalmente gobernado por la difusión del agua enel adhesivo.

El hecho de que las velocidades para el acero ypara el aluminio no sean iguales indica que probable-mente la difusión a través de la capa de óxido no escompletamente despreciable. Esta difusión sería másrápida a través de la capa de bayerita que en la capa deóxido ferrico, contribuyendo a que la velocidad deavance de la falla interfacial en el aluminio sea mayorque en el acero.

Los solventes orgánicos, tetrac1oruro de carbonoy acetona, parecen ejercer un efecto adverso diferen-te, disminuyendo la fuerza cohesiva del adhesivo.

CONCLUSIONESLa exposición de las juntas a alta humedad am-

biental, agua o solventes orgánicos mostró un consi-derable debilitamiento de las mismas.

El mecanismo para la falla de las juntas dependedel medio ambiente. En el caso del agua o humedadambiental se encuentra inicialmente un debilita-miento del adhesivo, pero luego la disminución en lafuerza adh esiva se debe principalmente al desplaza-miento del adhesivo por el agua, originando una fallainterfacial que parece estar gobernada por la difusióndel agua a través del adhesivo y de la capa de óxidoque se encuentra sobre el sustrato. Este desplaza-miento puede predecirse teóricamente calculandolos trabajos termodinámicos de adhesión en unmedio inerte y en agua.

En el caso del tetrac!oruro de carbono y de la ace-tona el mayor efecto observado es el de un debilita-miento directo del adhesivo.

AGRADECIMIENTO

La autora agradece al Consejo de DesarrolloCientífico y Humanístico por el apoyo económico.

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